DE102004029127A1

DE102004029127A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Biomasse

Info

Publication number: DE102004029127A1
Application number: DE200410029127
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dr. Epple; Werner Schmidt
Original assignee: PANEL TUNING GmbH
Current assignee: EPPLE, ALBRECHT, DR., 59069 HAMM, DE
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2005-12-29

Abstract

Biomasse aus Einjahrespflanzen wird zum Transport und zur Haltbarmachung zerkleinert, verdichtet und unter Unterdruck luftdicht verpackt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse aus Einjahrespflanzen mit dem Ziel, den Transportaufwand für diese überwiegend saisonal anfallende Biomasse zu reduzieren und die bakteriellen Verluste bei längerfristiger Lagerung zu minimieren. Die so behandelte Biomasse steht damit sowohl einer ganzjährigen stofflichen und als auch thermischen Nutzung zur Verfügung. Die Erfindung hat auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und die Anwendung des Verfahrens zum Gegenstand.
Im Zuge der weltweiten Zielsetzung, CO₂ aus der Nutzung von fossilen Ressourcen zu reduzieren, kommt der Substitution von fossilen Brennstoffen durch Biomasse eine immer größere Bedeutung zu. Das Problem dabei ist, dass ein Großteil der Biomasse mit geringer Energiedichte anfällt (hohe Feuchtigkeit und geringes Schüttgewicht) und sich daher nicht kostengünstig transportieren lässt. Dies wird dadurch verschärft, dass Biomasse in dichtbesiedelten Regionen knapp ist und in abgelegenen Gebieten in großen, dort meistens nicht wirtschaftlich nutzbaren Mengen anfällt. Ein weiteres, häufig übersehenes Problem bei der Nutzung der reproduzierbaren Biomasse aus Einjahrespflanzen als Nebenprodukte landwirtschaftlicher Hauptproduktion (z.B. Getreidestroh, Maisstroh, Sonnenblumenstengel, Rapsstengel, Flachs- und Hanfschäben) oder von Gräsern (wie z.B. Miscanthus) ist, dass die Biomasse dieser Pflanzen saisonal anfällt und wegen der biologischen Abbauprozesse, die im ungetrockneten Zustand einsetzen, nicht oder nur mit erheblichem Aufwand über längere Zeit zwischengelagert werden können.
Gemäß dem Stand der Technik wird in der Landwirtschaft die anfallende zellulosehaltige Biomasse nur teilweise wieder genutzt, z.B. zum Unterpflügen, zur Stallpflege, ein weiterer Teil wird als Brennstoff für Feuerungsanlagen verwendet, während der nichtgenutzte Teil verrottet. Um die Ausnutzung der Biomasse zu erhöhen, gibt es Entwicklungen für die Verwendung von Stroh als Rohstoff für Span- und Faserplatten oder für die Weiterverarbeitung zu flüssigem bzw. gasförmigen Brennstoffen. Darüber hinaus ist bekannt, dass Biomasse getrocknet und dann mit Stärke beleimt zu Brennstoffplatten gepresst werden kann.
Aus DE 44 36 706 A1 ist bekannt, dass Biomasse in einer Zerkleinerungs- und Presseinrichtung zu einem Pressgutstrang verdichtet wird. Dabei wird das Pressgut unter Ausnutzung der gesamten Transportbreite und -höhe auf einem Transportfahrzeug zu einem Großballen mit einem Gewicht bis zu 12 t verdichtet und unverpackt auf der Lagerfläche abgestellt. Ebenfalls ist aus EP 0 111 434 B1 bekannt, dass gepresstes Pflanzenmaterial in einem Folienschlauch abgefüllt wird, und zwar werden vorgepresste Ballen aus unzerkleinerter Biomasse durch einen Trichter in einen endlosen, am Boden liegenden Schlauch geschoben. Der Schlauch bildet somit einen witterungsgeschützten Speicher. G 87 09 395.2 beschreibt eine Vorrichtung zum hermetischen Abschließen von Plastiksäcken, die zum Vergären bestimmte Heuballen enthalten (Silage). Die Luft in den verschlossenen, witterungsbeständigen Säcken wird nach dem Befüllen mittels einer Vakuumpumpe über ein Rückschlagventil evakuiert, was eine starke Verdichtung des Heues zur Folge hat.
Die Biomasse wird im Fall von Stroh normalerweise nach der Ernte in rechteckige oder runde Ballen mit einer Schüttdichte von rd. 100 kg/m³ gepresst und meistens in Feldnähe zwischengelagert. Eine Weiterentwicklung stellt das Verpressen des Strohs in runde Ballen dar, die mit Wickelfolie verpackt werden. Dadurch wird erreicht, dass die Biomasse bei Regen geschützt ist und im Freien gelagert werden kann Die industrielle Nutzung der Biomasse setzt eine ganzjährige Verfügbarkeit voraus und erfordert eine Optimierung hinsichtlich des Transports von der Erntestelle zur Verarbeitung. Soweit es sich bei der Verarbeitung von Biomasse in Industrieanlagen handelt, ist es aus betriebswirtschaftlichen Gründen erforderlich, diese Anlagen ganzjährig zu betreiben. Das setzt voraus, dass die Biomasse ganzjährig zur Verfügung steht und kostengünstig transportiert werden kann. Die bisherige Bereitstellung von Biomasse aus der Landwirtschaft weist hier Schwachstellen auf, so ist das Handling auf dem Feld umständlich, der Wertverlust durch Witterungseinflüsse ist nicht unerheblich, die Zwischenlagerung der Strohballen in der Nähe des Feldes nimmt Anbaufläche in Beschlag und die ganzjährige Zufahrt zu den Strohlagerflächen ist nicht unproblematisch. Ganz entscheidend ist jedoch, dass für das Aufladen der Strohballen Sonderfahrzeuge erforderlich sind und bei einem Strohballentransport nicht das Gewicht sondern das Volumen für die Kosten pro Entfernungskilometer verantwortlich ist. Darüber hinaus ist absehbar, dass ein offener Strohballentransport über öffentliche Straßen wegen der unvermeidlichen Verwehungen durch den Fahrtwind nicht auf Dauer möglich sein wird. Das Eindecken der Strohballen mit Planen oder ein geschlossener Transport wird zu höheren Transportkosten führen. Die ganzjährige Verwertung der Biomasse aus landwirtschaftlichem Anbau für die stoffliche Verwertung zu Plattenwerkstoffen oder zur thermischen Nutzung zur Erzeugung von Festbrennstoff, gasförmigem oder flüssigem Brennstoff ist nur mit verhältnismäßig hohem Aufwand möglich und ist der Hauptgrund dafür, dass die Biomasse aus Einjahrespflanzen für diese Anwendungen gegenüber Holz im Nachteil ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für die oben angeführten Nachteile anzubieten. Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, mit dem Biomasse aus Einjahrespflanzen ohne Wertverlust ganzjährig und großräumig kostengünstig zur Verfügung gestellt und transportiert werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Erfindungsgemäß wird die anfallende Biomasse insbesondere Stroh, Hanf, Bagasse, Sonnenblumen- und Rapsstengel, Flachsschäben, Gräser sowie andere Einjahrespflanzen so aufbereitet und behandelt, dass durch Einengung des Materials das Transportvolumen weitestgehend reduziert und durch geeignetes Verpacken der Abbau der Biomasse durch Bakterien unterbunden wird. Bei höherem Wassergehalt (z.B. über 15%) kann durch Trocknung sowohl das Transportgewicht reduziert als auch der biologische Abbau und die dadurch verursachte Wärmeentwicklung sowie die Gefahr einer Selbstentzündung vermieden werden. Durch die Begrenzung der Feuchtigkeit und durch die Verwendung von gasdichter Verpackungsfolie bzw. gasdichtem Container wird garantiert, dass kein Sauerstoff eintreten kann, wodurch eine aerobe Fermentation durch thermophile Bakterien und Pilze unterbunden wird und eine Selbstentzündung ausgeschlossen werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Biomasse während oder nach der Ernte z.B. durch Häckseln zerkleinert, gegebenenfalls getrocknet, dann z.B. durch Pressen verdichtet und luftdicht und unter Luftabzug verpackt. Während der Ernte erfolgt das erfindungsgemäße Verfahren als Erweiterung des eigentlichen Erntepro zess, bei dem beispielsweise in einer Maschine bei der Weizenernte das Getreide separiert wird und das Stroh nach dem vorgeschlagenen Verfahren behandelt wird. Nach der Ernte bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verfahren in einem zweiten Arbeitsgang erfolgt, wobei im vorherigen Beispiel das Weizenstroh eingesammelt, gehäckselt, gegebenenfalls getrocknet, gepresst und luftdicht unter Evakuieren, also Luftabzug verpackt wird. Der Unterdruck in der Verpackung kann weniger als 500 hPa, insbesondere weniger als 100 hPa betragen.
In den Fällen, bei denen die Biomasse im Erntezustand eine höhere Feuchte aufweist als für die Haltbarkeit zuträglich, z.B. mehr als 10, insbesondere mehr als 25 Gew.-%, ist eine Trocknung der Biomasse zweckmäßig. Die Trocknung kann durch Erwärmung und/oder Evakuieren erfolgen.
Bei der praktischen Umsetzung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Biomasse vor der weiteren Behandlung möglichst fein zu häckseln bzw. zu vermahlen, da dadurch beim anschließenden Pressen ein hohes Maß an Verdichtung, d.h. Luftausschluss erreicht wird. Die mittlere Partikelgröße richtet sich nach der späteren Verwendung der Biomasse. Für die Nutzung der Biomasse als Brennmaterial oder als Rohstoff für die Herstellung von Kraftstoff bzw. zur Nutzung in der Bio-Gas-Produktion ist eine kleine Teilchengröße nicht nachteilig. Für die Nutzung der Biomasse als Streumaterial oder als Rohstoff für Span- und Faserplatten wird man normalerweise die Partikelgröße gröber wählen, auch wenn dadurch die spezifische Dichte geringer wird. Es ist in einigen Anwendungsfällen vorteilhaft, dass die Biomasse nach dem Häckseln in zwei oder mehrere Fraktionen unterschiedlicher mittlerer Teilchengröße aufgeteilt wird, die dann getrennt verpackt werden. Durch diese Maßnahmen können unterschiedliche Endverbraucher bedient werden. So kann beispielsweise die grobe Fraktion für die Plat tenproduktion oder in der Viehhaltung eingesetzt werden, während die feine Fraktion für die direkte oder indirekte Verbrennung Verwendung finden kann.
Für die Verpackung kommt ein gasdichtes Material, vorzugsweise gasdichte Folie, insbesondere Kunststofffolie, zum Einsatz, die entweder mehrmals verwendet wird oder umweltfreundlich entsorgt werden kann. Alternativ können auch Kunststofffoliensäcke (Big Bags) oder Container, also starre Behälter, eingesetzt werden.
Eine erfindungsgemäße Art der Trocknung besteht darin, dass durch Verlängerung der Evakuierungseinwirkung die Feuchte der Biomasse beim Verpacken reduziert wird. Diese Vakuumtrocknung ist jedoch nicht auf den Verpackungsvorgang beschränkt, sondern kann auch zu einem späteren Zeitpunkt beispielsweise während der Lagerung durchgeführt werden.
Eine weitere Möglichkeit die Biomasse langfristig haltbar zu erhalten, besteht darin, dass ein eventuell noch vorhandener Restsauerstoff durch eine inertisierende Substanz zu neutralisieren. Dies kann vorzugsweise durch Stickstoff geschehen, der nach der Evakuierung der Luft z.B. über ein Rückschlagventil von außen zugegeben wird oder über eine Gaspatrone im Innern der Folie freigesetzt wird, wobei die Aktivierung von außen erfolgen kann. Statt Stickstoff kann z.B. auch Kohlendioxid als Inertgas verwendet werden.
Als Hinweis für die Lagerfähigkeit kann die Feuchte der verpackten Biomasse gemessen und daraus ein Verfallsdatum bestimmt werden, das ebenso wie andere relevante Daten – zum Beispiel Art und Gewicht der Biomasse – auf der Verpackung vermerkt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung von Biomasse aus Einjahrespflanzen kann folgende Schritte nacheinander umfassen:

a) Zerkleinern der Biomasse z.B. durch Häckseln
b) Messung der Biomassefeuchte
c) Trocknen der zerkleinerten Biomasse
d) Aufteilen in mindestens 2 Fraktionen unterschiedlicher Teilchengröße
e) Verdichten und luftdichtes Verpacken der Biomasse
f) Evakuieren der Luft aus der Verpackung
g) Inertisieren der Biomasse in der Verpackung
h) Kennzeichnung der Verpackung mit Angaben über den In
halt und die Lagerfähigkeit.

Während die Schritte a), e) und f) erfindungsgemäß durchgeführt werden müssen, stellen die Schritte b), c), d), g) und h) zwar bevorzugte jedoch fakultative Maßnahmen dar. Der Schritt c) – Trocknen der gehäckselten Biomasse – ist dann erforderlich, wenn die Biomassefeuchte höher ist, als es für eine gesicherte Verhinderung der Selbstentzündung und einer mikrobakteriellen Zersetzung der Biomasse zuträglich ist. Die maximale Feuchte ist abhängig von der Art der Biomasse, den Lagerbedingungen der verpackten Biomasse und der angestrebten Verweilzeit bis zu der die Biomasse der Weiterverarbeitung zugeführt werden soll (Verfallsdatum). Diese Verweilzeit kann durch die unter Schritt g) angegebene Inertisierung – beispielsweise mit Stickstoff – verlängert werden.
Der Pressdruck zum Verdichten der gehäckselten Biomasse wird so eingestellt, dass je nach Art der Biomasse und der angestrebten Größe des Häckselmaterials für die Weiterverarbeitung die Dichte zwischen 200 und 800 kg/m³, vorzugsweise 300 bis 500 kg/m³, beträgt.
Der Feuchtegehalt der Biomasse zum Zeitpunkt der Verpackung beträgt – bezogen auf die Trockensubstanz – vorzugsweise 6–20 Gew.-%. Bei höheren Materialfeuchten kann entweder eine konventionelle Trocknung der Biomasse vor der Verpackung durchgeführt werden oder es erfolgt eine Vakuumtrocknung beim Verpacken oder im verpackten Zustand, bei der durch Anlegen eines Unterdrucks die Feuchte aus der Biomasse reduziert wird.
Nachstehend sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung schematisch dargestellt.
Das als 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt ein Verfahren bei dem die Biomasse zunächst gehäckselt (1) und dann in Foliensäcken abgefüllt (2) wird. Die Foliensäcke werden der Abfülleinheit als endloser Schlauch zugeführt, der in der Länge des Sacks entsprechenden Abschnitten quer verschweißt und an den Schweißnähten abgelängt wird. Zur Bestimmung der Füllmenge dient eine Gewichtsmessung. Die Verdichtung der Biomasse besteht aus zwei Schritten: mechanisches Pressen (3) sowie Absaugen der Luft (4). Zur Aufrechterhaltung des erzeugten Vakuums wird die Verpackung luftdicht verschweißt (5). Die so aufbereitete Biomasse kann langfristig gelagert und der weiteren Nutzung ganzjährig zur Verfügung gestellt werden.
Eine Variante des in 1 dargestellten Verfahrens besteht darin, dass die Dauer der Evakuierungseinwirkung (4) verlängert wird, so dass dadurch eine Trocknung der Biomasse eintritt.
Bei der als 2 dargestellten Ausführungsvariante erfolgt nach dem Häckseln (1) der Biomasse eine Aufteilung (6) in zwei Fraktionen: Grobgut und Feingut. Das Grobgut wird vor zugsweise als Streumaterial oder als Ausgangsmaterial für die Strohplattenproduktion benutzt, das Feingut für die Verbrennung. Außerdem wird bei dieser Verfahrensvariante die Feuchte der Biomasse bestimmt (7) und zusammen mit anderen Kenndaten, wie Art der Biomasse, Erntedatum, Gewicht etc. auf der Verpackung vermerkt (8).
Eine Erweiterung der in 1 und 2 dargestellten Verfahren besteht darin, dass nach dem Absaugen der Luft (4) zur Inertisierung des Hohlraumes Stickstoff über ein Ventil in den Innenraum der Verpackung eingebracht wird.

1: Häckseleinrichtung
2: Abfülleinrichtung
3: Presseinrichtung
4: Evakuierungseinrichtung
5: Schweißeinrichtung
6: Häckselgut-Separiereinrichtung
7: Feuchte-Messeinrichtung
8: Kenndaten-Markierungseinrichtung

Claims

Verfahren zur Behandlung von Biomasse aus Einjahrespflanzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse zerkleinert, verdichtet und unter Unterdruck luftdicht verpackt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zerkleinerte Biomasse in mindestens zwei Fraktionen unterschiedlicher mittlerer Teilchengröße aufgeteilt wird, die getrennt verdichtet und anschließend unter Unterdruck luftdicht verpackt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zerkleinerte Biomasse in einem kontinuierlichen Prozess verdichtet und unter Unterdruck luftdicht verpackt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Evakuieren der Luft der verpackten Biomasse Stickstoff als inertisierende Substanz zugegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zerkleinerte Biomasse vor dem Verdichten getrocknet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck zum Trocknen der verpackten Biomasse verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verpackung gasdichte Folie verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verpackung gasdichte Foliensäcke verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verpackung gasdichte starre Behälter verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das spezifische Gewicht der verdichteten Biomasse mehr als 200 kg/m³, insbesondere mehr als 400 kg/m³, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten nach dem Einbringen der Biomasse in die Verpackung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten beim Evakuieren der Verpackung und/oder mit einer Presse erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfallsdatum durch Bestimmung der Feuchte der verpackten Biomasse ermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Zerkleinerungseinrichtung (1) zur Zerkleinerung der Biomasse, eine Abfülleinrichtung (2) zum Verpacken der Biomasse, eine Verdichtungseinrichtung (3) zum Verdichten der Biomasse und eine Evakuierungseinrichtung (4) zur Evakuierung der verpackten Biomasse.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Zerkleinerungseinrichtung (1) und der Abfülleinrichtung (2) eine Trenneinrichtung (6) zum Trennen der zerkleinerten Biomasse in mindestens zwei Fraktionen unterschiedlicher Teilchengröße vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse in der Abfülleinrichtung (2) in Foliensäcke gefüllt und die Verdichtungseinrichtung (3) zwischen der Abfülleinrichtung (3) und der Evakuierungseinrichtung (4) vorgesehen ist.
Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Verpackung der Biomasse für den Transport und/oder zur Haltbarmachung.